淺談沉箱防臺驗(yàn)算

黃照容

摘 要：沉箱作為重力式碼頭的重要組成部分，其穩(wěn)定性影響著碼頭的穩(wěn)定。臺風(fēng)風(fēng)浪是對沉箱抗滑穩(wěn)定性的最大考驗(yàn)。本文從沉箱的波浪作用力、風(fēng)壓力等受力狀況進(jìn)行計(jì)算，同時考慮地基承載力，綜合分析臺風(fēng)天氣時期的沉箱抗滑、抗傾穩(wěn)定性能。

關(guān)鍵詞：沉箱 波浪作用力 風(fēng)壓力

1.工程概述

汕頭港廣澳港區(qū)二期工程地處達(dá)濠島西南端廣澳灣內(nèi)，坐標(biāo)北緯23°13，東經(jīng)116°46。該地區(qū)屬于亞熱帶海洋性氣候，溫暖，雨量充沛，光照充足但易受臺風(fēng)影響。臺風(fēng)可能導(dǎo)致沉箱間碰撞損壞或沉沒，因此，需要對寄放在養(yǎng)生池的沉箱進(jìn)行防臺驗(yàn)算，確保沉箱寄存安全。

本工程共計(jì)58件沉箱，養(yǎng)生池的底部設(shè)計(jì)尺寸為115m×60m，計(jì)劃存放5件/排×2排，共10件沉箱。施工水域的平均海平面：+1.40m，平均高潮位：+1.9m，年最高潮位：+2.75m，沉箱高度：19.25m，計(jì)算得沉箱浮游穩(wěn)定吃水深度：12.93m，預(yù)留沉箱高出平均海平面3.5m。

養(yǎng)生池底標(biāo)高：-14.35m，養(yǎng)生池布置在距離碼頭前沿線約150m的位置，長115m，寬60m，存放2排，每排5件共10件沉箱.

2.沉箱現(xiàn)場存放防臺計(jì)算

存放地點(diǎn)地質(zhì)要求為砂質(zhì)土。鉆孔資料顯示，此處-14.7m～-15.1m范圍是淤泥質(zhì)土，若實(shí)際開挖土質(zhì)為淤泥，則要求鋪一層0.5m厚的疏浚砂或者碎石，沉箱存放處海底高程為-14.35m，地基承載能力達(dá)到10t/m2以上;沉箱存放長度方向?yàn)闁|西向。對比現(xiàn)場實(shí)際情況，沉箱主要受東南向風(fēng)浪影響，防臺驗(yàn)算以南向波浪及風(fēng)壓力計(jì)算。極端高水位：4.08m;設(shè)計(jì)高水位：2.03m;設(shè)計(jì)低水位：0.33m;波浪要素按50年一遇波浪+50年一遇極端高水位確定，根據(jù)汕頭港廣澳港區(qū)二期工程水工建筑物設(shè)計(jì)說明中表2.1.2-5《S向二期集裝箱碼頭工程設(shè)計(jì)波要素》的H1%取值，波高H=5.46m，根據(jù)設(shè)計(jì)說明中表2.1.2-4，50年一遇波浪+50年一遇極端高水位的平均周期=9.8s，平均波長=118m，最大水深極端高水位時d=18.43m，設(shè)計(jì)低水位時d=14.68m，沉箱尺寸為：19.1×17.15×19.25m，臺風(fēng)期間打開進(jìn)水閥門，箱內(nèi)水面標(biāo)高與潮水位平。沉箱頂標(biāo)高+4.9m。

2.1 受力計(jì)算

2.1.1極端高水位波浪作用力

根據(jù)前文所述數(shù)據(jù)和《海港水文規(guī)范》8.1.3條計(jì)算直墻式建筑物上立波作用力。

（1）波浪中線超出靜水面高度計(jì)算

hS=1.84m

（2）靜水面以上高度hs+H處波浪壓力強(qiáng)度為0

極端高水位+4.08m，波高5.46m，波峰時超過沉箱頂，故沉箱頂部波壓力強(qiáng)度

Ph=47.56kN/m2

（3）水底處波壓力強(qiáng)度計(jì)算

Pd=0.31kN/m2

（4）靜水面處波浪壓力強(qiáng)度

Ps=53.68kN/m2

（5）墻底處波浪壓力強(qiáng)度

Pb=Pd=0.31kN/m2

（6）靜水面以上和以下波浪壓力強(qiáng)度均按直線分布

（7）單位長度墻身上總波浪力P的計(jì)算

《海港水文規(guī)范》8.1.5條規(guī)定，波浪越頂應(yīng)減去越頂部分波浪力，故取沉箱高度19.25m計(jì)算

P=80.45kN/m2

（8）波浪單位長度墻底面上波浪浮托力

Pu=2.98kN/m

（9）單位長度上作用在計(jì)算面上的豎向合力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

G沉箱+G水=68164 kN>G浮，沉箱不會自浮

單位長度上作用在計(jì)算 面上的豎向合力（不計(jì)浮托力）：

Vk=907kN/m

（10）風(fēng)壓力計(jì)算

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》11.0.1：

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：

Wk=1.52N/m2

單位長度墻面上風(fēng)壓力為：P風(fēng)=1.25kN/m

（11）抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》進(jìn)行驗(yàn)算

γ0γpP=98≤（γGVk-γuPu）f=542，故滿足抗滑穩(wěn)定性。

（12）抗傾穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》進(jìn)行驗(yàn)算 γ0（γpMP1+γUMPU）=1309≤γGMvk=110762，故滿足抗傾穩(wěn)定性。

（13）地基承載力驗(yàn)算

σ max=7.76t/m2<10t/m2

σ min=4.58t/m2<10t/m2，滿足地基承載力要求。

2.1.2設(shè)計(jì)低水位波浪作用力

根據(jù)前文所述數(shù)據(jù)以及無因次周期T*=T=8.09s，滿足8

2.1.2.1 T*=8時，按《海港水文規(guī)范》8.1.3條計(jì)算各量值。計(jì)算與2.1.1所述相同。計(jì)算結(jié)果為：

hS=0.83m，Ph=26.05kN/m2，Pd=0.36kN/m2，PS=45.25kN/m2，Pb=0.36kN/m2，P=347.28kN/m2，Pu=3.43kN/m，Vk=1004kN/m，P風(fēng)=6.95kN/m。

2.1.2.2 T*=9時，按《海港水文規(guī)范》8.1.2.1條計(jì)算各量值

（1）波面高程計(jì)算

（2）在靜水面hc以上處的墻面波壓力強(qiáng)度計(jì)算

（3）墻上其它特征點(diǎn)的計(jì)算

（4）單位長度墻身上的水平總波浪力計(jì)算

（5）單位長度墻身上的水平總波浪力矩計(jì)算

（6）單位長度墻身上的波浪力浮托力計(jì)算

2.1.2.3計(jì)算波浪作用力

（1）單位長度墻身上的水平總波浪力計(jì)算 P*=406.91kN.m

（2）單位長度墻身上的浮托力計(jì)算Pu*=3.36kN.m

（3）沉箱頂部壓強(qiáng)計(jì)算

按1.2.1計(jì)算取值，

（4）靜水面波浪壓力計(jì)算

（5）墻底處波壓力計(jì)算

（6）d/2處波壓力計(jì)算

（7）風(fēng)壓力計(jì)算

按2.1.2.1計(jì)算取值，P風(fēng)=6.92kN/m

（8）單位長度上作用在計(jì)算面上的豎向合力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

按2.1.2.1計(jì)算取值，Vk=1004kN/m

（9）抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》驗(yàn)算，計(jì)算過程與2.1.1相同：γ0γpP1*=496≤（γGVk-γuPu*）f=599，故滿足抗滑穩(wěn)定性。

（10）抗傾穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》驗(yàn)算，計(jì)算過程與2.1.1相同：

γ0（γpMP1*+γUMPU*）=5857≤ γGMvk=125246，故滿足抗傾穩(wěn)定性。

（11）地基承載力驗(yàn)算

計(jì)算過程與2.1.1相同：

σ max=8.54t/m2<10t/m2

σ min=5.12t/m2<10t/m2，滿足地基承載力要求。

2.2 水流力對沉箱穩(wěn)定的影響

根據(jù)汕頭港廣澳港區(qū)二期工程水工建筑物設(shè)計(jì)說明2.1.2.3中潮汐和潮流的描述，漲潮最大的流速為0.75m/s，落潮最大的流速為0.70m/s，流速較小，不考慮水流力對沉箱穩(wěn)定性的影響。

3.計(jì)算結(jié)論

按照上述計(jì)算過程，打開沉箱閥門，箱內(nèi)水高程與潮水位相同，滿足抗滑、抗傾及地基承載力穩(wěn)定性要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]海港水文規(guī)范.JTS145-2-2013.

[2]港口工程荷載規(guī)范.JTS 144-1-2010.

[3]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.GB50009-2012.

[4]重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范.JTS167-2-2009.